瓦斯爆炸衰減規律和破壞效應

曲誌明1,吳會閣2,郝剛立2,高洪俊1,王曉麗3

(1.河北工程學院土木工程學院,河北邯鄲056038;2.石家莊經濟學院工程學院,河北石家莊050031;

3.邯鄲市科學技術協會推廣部,河北邯鄲056002)

摘　要:瓦斯爆炸的傳播和衰減規律的研究是基於燃燒學、爆炸力學和應用數學等學科從爆炸所在環境出發的應用研究。瓦斯爆炸對構築物的破壞效應是通過對衝擊波陣麵上超壓、衝擊波的作用時間及構築物所處的位置、構築物的形狀等因素的研究進行的,而瓦斯爆炸的破壞機理和對通風係統破壞效應方麵的研究不但可以加深理論而且還可以應用於實踐。礦井瓦斯爆炸傳播規律、衰減規律和破壞效應的研究成果,對02manbetx.com 防治和調查可以提供重要的技術支撐。

關鍵詞:瓦斯爆炸;衰減規律;破壞效應;掘進巷道;衝擊波

中圖分類號:TD712+.7　　　文獻標識碼:A　　　文章編號:1003-496X(2006) 04-0005-05

Attenuation and Damage Effect of Gas ExplosionQU Zhi-ming1, WU Hui-ge2,HAO Gang-li2,GAO Hong-jun1,WANG Xiao-li3(1. School of Civil Engineering, Hebei College of Engineering, Handan056038, China ;2.School ofEngineering, Shijiazhuang University of Economics,Shijiazhuang050031, China ;. Extension Department, Handan Association of Science and Technology, Handan056002, China)bstract:Based on the science of combustion, the explosion dynamics and the applied mathematics, the study of gas explosionspreading and attenuation can be made from the reaction angle between the explosion and the environment. The damage effects of gasexplosion on the structures in excavation roadway is to study some factors such as the overpressure in the shock wave front, the actiontime of shock time, the position of structures, the shape and so on. Through the discussion above, the study about the damage mech-anism and damage effects on ventilation system can be put into theory research and practice. The research findings on the spreading,attenuation and the damage effects during gas explosion will technically support the accidents’prevention and cure and investigation.Key words:gas explosion;attenuation;damage effect;excavation roadway;shock wave

0　引　言

我國煤礦瓦斯大,瓦斯湧出強度高,危險性較大。大中型煤礦中,高瓦斯礦井占20.34%;小型煤礦中,高瓦斯礦井占15%左右。隨著開采深度的增加,機械化程度的提高,開采強度的增大,瓦斯湧出量就會進一步增大;那麼,瓦斯災害的治理越來越成為煤礦災害防治的重點。因此,在煤礦安全02manbetx.com 中,瓦斯爆炸02manbetx.com 一直是煤礦最嚴重的災害之一。 2004年 10月20日 22:10,鄭煤集團大平煤礦突然發生岩巷特大瓦斯02manbetx.com ,148人遇難; 2004年11月28日上午 07:10左右,陝西省銅川礦務局陳家山煤礦發生一起瓦斯爆炸事故,166人遇難;2005年2月1415:03,遼寧省阜新市孫家灣煤礦發生一起特大瓦斯事故,死亡人數214人。

從以上幾起近期發生的影響較大的瓦斯爆炸事故來看,造成大量的人員傷亡和重大財產損失的原因在於管理漏洞,對發生瓦斯爆炸後通風係統破壞程度不能及時了解,決策不夠及時;反過來,當決策人員對破壞程度的不同有了了解就有助於救災決策,確定要保護的關鍵的通風構築物,調節通風係統,使爆炸後產生的有害煙流及時排出,保持通風係統的穩定、保護井下人員的安全,從而將重大事故災害造成的破壞減少到最低程度。無論對於決策人員還是對於研究人員而言,發生瓦斯爆炸過程中以及瓦斯爆炸後表征爆炸的壓力場、溫度場和濃度變化規律和衰減規律的參數的獲得都較難。

因此,在掘進工作麵瓦斯的聚積位置、濃度、體積確定的條件下,研究瓦斯爆炸後超壓、溫度和瓦斯濃度的變化、衰減規律,瓦斯爆炸對通風設施的破壞效應及對通風係統的破壞作用和影響範圍,以及由此而導致的有毒氣體的蔓延規律和產生的風流紊亂定量03manbetx ,對於減少瓦斯爆炸災害對人員的傷亡、建立健全有效可行的瓦斯爆炸災害預防處理計劃和救災決策具有十分重要的意義。

2　瓦斯爆炸機理

瓦斯爆炸事故是經濟損失最大、人員傷亡最多的事故,也是造成社會影響最大的重特大事故。有效防止瓦斯爆炸事故是改善我國煤礦安全狀況的重中之重〔1〕。要想了解瓦斯爆炸衝擊波在巷道中的衰減規律和對井下構築物或障礙物的破壞作用,就必須首先了解瓦斯爆炸的傳播機理。

2.1　掘進巷道瓦斯爆炸的基本模型

(1)物理模型建立的條件。①本文討論的瓦斯爆炸發生在一端封閉、一端開口的平直掘進巷道中,初始狀態為常溫、常壓,聲速為當地聲速。以點源來點燃爆炸,點燃位置位於巷道的封閉端;②為研究方便,假設壁麵光滑且剛性。爆炸衝擊波一般是在擾動區內在與壁麵的相互作用後形成穩定激波的;③由於瓦斯爆炸過程中產生的爆炸衝擊波的高速度,爆後形成的混合氣體高溫、高壓,因此,衝擊波在這種介質中傳播和衰減時可忽略質量力、粘性和熱傳導,但不是以忽略壓縮性。

(2)物理模型的建立。以直的掘進巷道為研究對象,發生瓦斯爆炸時其作用相當於一維管道〔2〕,如圖1。

2.2　傳播途徑

礦井瓦斯爆炸的傳播過程屬於可燃性預混氣體在管道類空間中爆炸的傳播過程。由於傳播過程中的氣體流場的複雜性和衝擊波的存在,研究這一領域的問題曆來困難重重。對煤礦瓦斯爆炸現象的研究,Riemann首先從理論上推導出可壓縮流體高速度運動可以產生激波,激波是一個壓力、密度、溫度發生突變的間斷麵。20世紀初, Chapman和Jouguest建立了爆轟波傳播的C—J理論〔3〕,即將爆轟波簡化為包含瞬間完成化學反應的間斷麵,從而將複雜的反應流體力學問題轉化純流體力學問題。

但C—J理論是建立在一定假設的基礎上的,其中兩個重要假設是激波波陣麵為平麵,波陣麵後氣體服從理想氣體狀態方程,這限製了它在氣體爆炸傳播過程中的應用。20世紀40年代提出的著名的ZND模型〔3〕認為,爆轟波是由無化學反應的激波和跟隨其後的一個反應區組成,未反應的預混氣體首先經過激波預壓縮到較高的溫度和密度再經過燃燒反應區達到爆轟波的終態。ZND模型奠定了爆轟反應流體力學基礎,指出燃燒反應區的傳播不穩定性,強烈依賴於反應區的溫度。

瓦斯爆炸必須3個要素:瓦斯濃度、O2濃度和點火源。瓦斯爆炸是基於鏈式反應的機理,單位時間內能量釋放速度極快;在傳播階段,其混合氣體在爆炸衝擊波的高壓壓縮下,存在強烈的熱動力學現象,即快速產熱效應。在瓦斯爆炸的傳播過程中,從大量的爆炸試驗和理論上都可以證明:在大氣壓力和氧氣濃度正常的情況下,瓦斯爆炸不僅取決於瓦斯濃度和瓦斯體積等因素,還受到爆炸地點環境氣候參數、爆炸空間的幾何形狀和參量等多個約束的影響。在瓦斯爆炸過程中存在著複雜的氣體流場,存在著激波;同時存在著劇烈的燃燒現象和空氣動力突躍現象。因此,瓦斯與空氣的混合氣體爆炸傳播實際上是衝擊波與燃燒過程的耦合。

2.3　傳播機理〔4〕

爆炸是大量能量在有限體積和極短時間內快速釋放或急驟轉化的現象,常分為物理爆炸和化學爆炸。瓦斯爆炸屬於化學爆炸,化學爆炸的一個重要特性是爆炸火焰的存在。氣體爆炸和燃燒的區別是:如果火焰的傳播不依賴氣體流動速度,即在火源已經停止作用的情況下火焰仍可能傳播,則這種過程就是燃燒。瓦斯爆炸是指火焰從火源占據的空間不斷地傳播到爆炸混合氣體所在的整個空間的過程。礦井瓦斯爆炸屬於以甲烷為主的可燃性氣體和空氣組成的爆炸性混合性氣體在火源引發下發生的一種迅猛氧化反應過程。

煤礦瓦斯是一種可燃性爆炸氣體,雖然瓦斯燃燒和瓦斯爆炸生成的最終產物是相同的,而且瓦斯燃燒和爆炸的點火都是基於鏈式反應機理,但是爆炸過程的燃燒速度遠高於瓦斯的一般燃燒,即其單位時間內能量釋放速度也遠大於常態下的瓦斯燃燒過程,深入研究表明,瓦斯爆炸在點火階段結束以後,其在傳播階段的燃燒本質上是瓦斯—空氣混合氣體在爆炸衝擊波高壓壓縮下的燃燒過程。與其他物質爆炸的物理和化學機製一樣,瓦斯爆炸過程中的快速產熱效應是其傳播過程中強烈動力現象存在的物質基礎〔5〕。

2.4　影響範圍

2000年9月發生在貴州水城礦務局木衝溝煤礦特大瓦斯煤塵爆炸事故,死亡160多人,所產生的衝擊波影響範圍達9 300 m ,直接經濟損失1 200多萬元。現場調研和後來實驗表明,障礙物對爆炸波和火焰的這種加速作用〔6〕,主要是由於在障礙物附近形成高濃度的黏性邊界層,從而導致湍流,湍流使爆炸波和火焰加速,加速的爆炸波和火焰又增強湍流〔7〕,這種正反饋作用使爆炸波和火焰不斷加速。在此過程中,由於火焰在障礙物附近形成高濃度的黏性邊界層作用大於爆炸波在障礙物附近形成高濃度的黏性邊界層,所以,障礙物對火焰的加速作用大於爆炸波的加速作用。而爆炸波和火焰傳播速度的增大,則會擴大爆炸事故的影響範圍。從這個意義上來說,為了防止瓦斯爆炸,縮小波及範圍,也應盡量避免煤礦井下不必要的障礙物的存在。另外,可燃氣體的爆炸與炸藥爆炸最根本的區別就是爆源特征。炸藥爆炸可以看作是理想的點源爆炸,能量的釋放是瞬時的,且爆源的尺寸與爆炸的影響範圍相比表征為一個點。瓦斯爆炸則不同,爆炸性混合氣體的特征尺寸〔8〕與火焰鋒麵可以達到的最遠距離相比是不能忽略的,有時甚至為同一數量級。

這一領域中的研究並不多見,瓦斯爆炸的影響範圍最終會有多大,產生的地震效應到底有多廣泛等問題值得研究。

3　瓦斯爆炸的破壞效應

瓦斯爆炸的破壞和傷害體現在爆炸的傳播過程中。實驗研究和現場勘察表明,瓦斯爆炸產生的致命危險因素有:火焰鋒麵的高溫灼燒、爆炸衝擊波的超壓破壞及作用時間和井巷內有毒有害氣體成分的變化。

爆炸過程,特別是高能量爆炸中產生的強大衝擊波在擊碎地質介質〔9-10〕的同時,也往往危及到爆炸源附近一定範圍內地下工程的穩定與安全。某直牆拱形地下巷道(錨支)在一次較大當量的爆炸事件中發生了大範圍的坍塌,破壞總長度超過 100 m ,巷道完全報廢。根據文獻資料,火焰速度< 100 m /s時所產生衝擊波可近似處理成聲波,引起的結構破壞較小;一旦火焰加速達到 200 m /s時則會引起嚴重的湍流效應,這種高速火焰的壓力波引起的爆炸波的破壞效應與爆轟波產生的破壞效應相當,產生構破壞程度很大。究其原因,則是由於在瓦斯爆炸過程中,瓦斯被點燃後,燃燒產物膨脹,火焰陣麵前形成衝擊波,並壓縮未反應的混合物,這種衝擊波陣麵到火焰陣麵之間麵積收斂,形成了較大的附加壓縮,其最終的流場性質從衝擊波到火焰是逐漸增加的。火焰傳播速度越大,衝擊波陣麵到火焰陣麵之間麵積收斂越急劇,超壓值就越大,引起的破壞效應越大;同時,瓦斯爆炸的破壞效應體現在傳播階段。因此,掌握瓦斯爆炸傳播階段的力學變化特征及物理機製,對於製定瓦斯阻隔爆措施、查清事故原因,具有理論和實踐意義。瓦斯爆炸的點火階段是外界火源誘發的鏈式反應過程,其反應速度以指數函數形式遞增,燃燒迅速從火源附近擴張到整個巷斷麵,形成爆炸波的初始條件。實驗和理論03manbetx 均表明〔11-13〕,點火階段在瓦

斯爆炸過程中所占時間極短,瓦斯爆炸事故的時間主要體現在傳播階段。從傳播空間上,瓦斯爆炸的傳播可分為含瓦斯氣體和一般空氣2個區域中傳播。在含瓦斯氣體區域,瓦斯爆炸傳播的物理機製是:點火階段形成的高溫、高壓氣體迅速向遠離火源方向衝擊,高溫高壓氣體與前方氣體之間在壓力、溫度、速度等物理參數上存在突變,即數學間斷,表現出明顯的波動效應,兩種氣體的接觸麵為前驅衝擊波的波陣麵。緊隨前驅衝擊波後麵的是火焰波陣麵,火焰波陣麵實際上是在已受擾動的氣體中傳播,而火焰波後麵的氣體則與火焰區有顯著差異。因此,這一階段的爆炸衝擊波結構是前驅衝擊波波陣麵和火焰波陣麵的雙波三區結構,由於火焰波不斷補充能量,前驅衝擊波的壓力、波速是處於遞增狀態。在這一階段,火焰傳播速度(Vf)、前驅衝擊波的最大壓力(pq)是表征瓦斯爆炸傷害與破壞效應的重要參數。由於前驅衝擊波的壓縮效應,波後氣體與波前氣體存在密度差,根據波動理論,在前驅衝擊波傳播的同時,存在氣體的膨脹波以當地聲速沿其反方向傳播。在一般空氣區域,瓦斯氣體燃燒完,火焰波消失,爆炸波演變為一般空氣衝擊波,傳播階段,由於摩擦、巷道壁麵的吸熱,衝擊波的壓力、溫度、速度參數沿傳播方向呈衰減狀態,最終恢複至正常大氣參數。在這一階段,氣體衝擊波的衝量(Is)、波陣麵的超壓(Δp)是決定其傷害與破壞的關鍵因素。

煤礦瓦斯爆炸的屬性一般為爆燃過程。但在一定條件下(瓦斯濃度分布條件、引爆方式和強度、瓦斯爆炸空間幾何特性〔8〕等) ,有可能發展為爆轟過程。煤礦巷道發生爆燃,其主要破壞特征是熱破壞效應,機械破壞作用較為有限,但一旦發生瓦斯爆轟,出現激波,其形成的爆壓、爆溫、爆速對礦井的破壞效應比爆燃要大得多,慘重得多。火焰與超壓之間的相互關係是:衝擊波陣麵的強度與火焰的傳播速度有關,火焰速度< 100 m /s時,超壓較小。由於超壓是反映衝擊波陣麵強度的重要指標,因此,當火焰速度< 100 m /s時,反映出衝擊波陣麵強度較弱;一旦火焰速度超過 200 m /s ,超壓明顯增大,衝擊波陣麵的強度提高。在瓦斯爆炸過程中,瓦斯被點燃後,燃燒產物膨脹,火焰陣麵前形成衝擊波,並壓縮未反應的混合物,衝擊波陣麵到火焰陣麵之間麵積收斂,形成了較大的附加壓縮,其最終的流場性質從衝擊波到火焰是逐漸增加的。火焰傳播速度越快,衝擊波陣麵到火焰陣麵之間麵積收斂越急劇,超壓值就越大,引起的破壞效應就可能越大。對於煤礦井下來說,則會導致經濟損失以及人員傷亡的增大。

瓦斯爆炸衝擊波對通風設施的破壞,與衝擊波強弱和目標有關。描述空氣衝擊波破壞效應的主要參數有3個:峰值超壓、正壓作用時間和衝量。衝擊波峰值超壓表示衝擊波瞬間作用的量,而衝量則表達出在溫度可達2 300℃ 時,衝擊波的峰值壓力會達到約30×101 325 Pa,而爆炸產物中CO的濃度會達9%,在極短時間內就會導致人死亡。有時衝擊波的破壞範圍會達數千米,會危及地麵安全。正壓區時間範圍內超壓的持續作用量,二者對目標都起破壞作用,哪一個起主要作用,要看目標對衝擊波破壞載荷接受的情況。衝擊波破壞作用的準則有3個:超壓準則、衝量準則、超壓—衝量準則。實驗研究表明,當正壓區作用時間大於10倍的物體自振動周期時,物體的破壞可以靠衝擊波峰值超計算。按超壓準則,隻要衝擊波超壓達到一定值時,便會對目標造成一定的破壞。當超壓達到0.08~0.1 MPa時,能使磚牆倒塌,達0.1~0.21 MPa時能使防震鋼筋混凝土破壞。衝擊波對建築物破壞作用的研究已有成熟的結果,國家也有關於建築物防衝擊波破壞的安全距離的設計規定,但對於煤礦井下通風構築物的抗衝擊波強度值,目前還要進行理論研究或實驗數據的獲取。

4　03manbetx 討論

4.1　存在問題

通過對上述03manbetx 研究,瓦斯爆炸的衰減規律和破壞效應方麵的研究存在的問題如下:

(1)當瓦斯湧出的濃度、體積、聚積位置確定的條件下發生瓦斯爆炸時,以往的文獻對由此產生的爆炸衝擊波沿巷道的傳播過程中衝擊波是如何衰減的,壓力場、溫度場、濃度場在時間、空間上的衰減規律未做出有效的研究。

(2)井下掘進巷道內不同形狀的通風構築物材料組成、自振周期等因素各不相同,當瓦斯爆炸衝擊波對構築物產生破壞作用時,其破壞機理如何?在相互作用當中,衝擊波的超壓峰值、正壓作用時間、比衝量等主要參數,以及空氣衝擊波波陣麵上的空氣密度、絕對溫度、聲速、空氣質點速度、波陣麵的傳播速度等參數的變化及它們的關係對破壞效應的影響如何等問題都需進一步研究。

4.2　分析研究對上述問題主要運用數學、熱力學、氣體動力學、爆炸動力學等理論〔3,14〕進行分析,並與實驗相結合進行研究。

(1)由於瓦斯爆炸過程當中產生高溫和高壓,爆炸的瞬間未爆炸的瓦斯空氣預混氣體和爆炸後的爆轟產物均可視為理想氣體。應用氣體狀態方程:p1V1T1=p2V2T2,在確定初始條件(p1, V1,T1)和邊界條件的情況下,通過理論分析、數值模擬和實驗研究求得p2、V2、T2,即爆炸後的超壓等特征參數;通過對爆炸後產生的膨脹氣體進行研究,利用質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律、內能方程和輔方程求出爆炸後的超壓、衝量、爆速、正壓作用時間、氣體溫度等動力學參數並進行比較和驗證。

(2)應用氣體動力學和爆炸動力學理論,研究爆炸波特征參數在掘進巷道中的衰減規律;以及在距爆源一定距離,超壓、溫度、瓦斯濃度等參數的衰減變化規律。

(3)在距爆源一定距離且條件不同的情形下,哪些參量起主導作用,其破壞程度如何?由上述理論分析和實驗研究所獲得的超壓、溫度等參數,研究爆炸衝擊波對形狀、大小、材料、位置、自振周期等性質不同的通風構築物的破壞。通過理論研究和實驗結果的分析,求得瓦斯爆炸對通風係統的破壞效應,並與事故現場取得的數據對比,進行印證。在此基礎上研究對通風係統以及整個礦井的影響,為救災決策提供依據。

5　結　論

根據已有研究和試驗結果研究掘進巷道瓦斯爆炸衝擊波傳播規律和衰減規律,擬合出有障礙物(通風構築物)、半封閉條件下距爆源不同距離的超壓、溫度、濃度等瓦斯爆炸特征參數之間的關係式,並根據前人對轉彎、分岔巷道中障礙物對衝擊波傳播影響的實驗研究結果,擬合出公式和驗證。通過對衝擊波陣麵上超壓△p的大小、衝擊波的作用時間及作用壓力隨時間變化的性質、構築物所處的位置(即建築物與衝擊波陣麵的相對關係)、構築物的形狀和大小、構築物的自振周期、其他參數等因素的研究,確定對構築物的破壞機理和對通風係統破壞效應。瓦斯爆炸是一種強烈的氣體燃燒動力現象,其中涉及到爆轟物理、化學反應動力學、燃燒學及流體力學等多方麵的知識,由於這一現象的複雜性,因此,當前仍有許多領域還處於研究探討之中。本文針對煤礦井下巷道環境中瓦斯爆炸的一些特征進行了探討,希望對瓦斯爆炸事故的防治有所裨益。

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　　作者簡介:曲誌明(1970-),男,吉林通化人,1998年畢業於河北建築科技學院,博士研究生,講師,現工作於河北工程大學,研究方向:安全技術及安全工程,已發表論文9篇。

·國外煤礦安全信息·

抽放積聚甲烷工藝的前景大部分甲烷的來源(70%)是從煤層的頂板,頂板的大部分是砂岩。在頂板上距離小於150倍采出厚度的煤層和岩層都與采空區有著氣動關係,平均能抽出甲烷體70%,而賦存在頂板上距離小於60倍采出厚度的煤層和岩層,平均能抽出甲烷80%~90%。從頂板上距離大於60倍采出的煤層厚度,抽出其中活動積聚的甲烷,最好是有下列條件:開采鄰近煤層造成的岩體激烈活動期間,抽放已采工作麵上部采空區的甲烷;在殘留煤體采空區的界限內;在岩體有很多自然裂隙的地帶內。上述資料是馬克耶夫礦業安全研究院專家與煤礦專家共同科研的成果。在劄霞吉柯煤礦進行調研,該煤礦的自然狀況如下:回采工作麵的平均厚度為 270 m ;采區長度為1 750 m ;開采煤層厚度為 1.6 m ;平均日產煤量為2 290 t;煤層自然甲烷含量是 20 m3 /t;揮發分為30%;煤炭灰分11%;煤炭濕度1.5%。另外,對煤礦井下不同地點的瓦斯抽放和湧出情況列表進行了敘述。